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大气压强

张洛宁

一、使用教材

人民教育出版社 初中学段 八年级 物理 下册 第九章第3节 大气压强

二、实验器材

（一）易拉罐形变系列实验

1. 手捏形变：空易拉罐、橡皮膜。

2. 打气形变：将开口密封的空易拉罐放入密封罐，上方压有硅胶片保证气密性良好，打气筒通过气门向密封罐中打气。

图1打气形变实验装置

3、不打气也形变：空易拉罐1个、适量清水、酒精灯、石棉网、支架、蒸发皿、橡皮泥、镊子。空易拉罐中倒入适量清水，在酒精灯上加热。一段时间后利用橡皮泥密封开口，用镊子拿起，浇水。

（二）“有气压不发生形变”实验和“有气压差发生形变”实验

1. 有气压不发生形变实验：两圆柱形空管一端绷有橡皮膜、一端开口，利用胶带将绷有橡皮膜的一段连接在一起。开口一端都通过橡胶管与同一个吹气嘴相连。

图2 有气压不发生形变实验装置

2. 有气压差发生形变实验：两圆柱形空管一端绷有橡皮膜、一端开口，利用胶带将绷有橡皮膜的一段连接在一起。开口一端通过橡胶管分别与两个吹气嘴相连。

图3 有气压差发生形变实验装置

图4 装置橡皮膜部分特写

（三）粗测大气压改进实验

本实验装置由真空罩、压力计、负压表、橡皮膜、进气阀、抽气阀、气泵组装而成。

图5 粗测大气压改进实验装置

压力计测量范围是0-500N，测量精度为0.1N，使用该压力计可以直接读取压力和拉力大小。

图6 压力计使用方法

真空罩左侧装有2个气阀，一个与气泵相连抽气，一个与大气相连进气。真空罩右侧设有取物口，取物口盖子边缘装有橡胶圈，装上螺栓保证真空罩内部气密性良好。

图7 气阀和取物口

打开气泵抽气，负压表显示真空罩内部气压大小。

图8 气泵和负压表

橡皮膜固定在直径为2.8cm圆形模具上，将橡皮膜放入真空罩上方的卡槽进行固定，保证真空罩内部气密性良好。

图9 橡皮膜固定方法

      橡皮膜上方处于大气环境，下方在真空罩内。

图10 橡皮膜上下分别处于大气和真空罩环境

压力计固定在真空罩内部，压力计上方托盘与橡皮膜接触无挤压。抽气内部气压减小，内外气压差增大，橡皮膜受到向下的压力差增大，压力计直接测取其大小。当下方为真空环境时，压力计可以直接测取大气压力。

图11 压力计测取大气压力的方法

（四）气压差和液体压强平衡实验

本实验装置由可拆卸U型弯管1个、带有胶塞的抽气装置、水槽、铁架台组成。

图12 可拆卸U型管

图13 抽气装置

三、实验创新要点/改进要点

（一）易拉罐形变系列实验

通过易拉罐系列形变实验，从手施加压力使易拉罐形变到打气使易拉罐形变再到不打气易拉罐也发生形变，在探索物理现象内在联系过程中承认气压、大气压的存在，注重物理观念的形成过程，充分利用学生正确的前概念。

图14 易拉罐系列形变实验创新要点

（二）“有气压不发生形变”实验和“有气压差发生形变”实验

通过有气压不发生形变和有气压差发生形变实验，理解气压差产生压力差使物体形变。正确认知气压与形变关系，证伪与证实实验中发展学生科学思维能力。

图15 有气压不发生形变实验—学生无论如何使力橡皮膜无形变

图16 有气压差发生形变实验—学生吹气发现橡皮膜形变

图17 橡皮膜形变对比

（三）粗测大气压改进实验

  利用压力计直接测取大气压力，应用学生所学的固体压强、受力分析等知识计算得到大气压的大小，符合学生认知水平，发展学生科学思维能力。

1. 传统“吸盘实验”存在的不足：

（1）弹簧测力计对应的拉力和大气压力平衡，属于间接测量，学生难以理解；

图18 吸盘实验测量大气压力方法

（2）用实验室测力计测量拉力，橡皮碗半径约为0.4cm，实际操作中难度大；

（3）橡皮碗脱离一瞬间使用测力计读数误差极大；

（4）橡皮碗紧贴玻璃内部无空间感，学生不认可真空环境。

2. 粗测大气压实验改进要点：

（1）直接测量大气压力，符合学生认知。

图19 压力计直接测量大气压力方法设计

实验装置制作中将压力计放入真空罩内，压力计上方装有橡皮膜，橡皮膜上方处于大气环境，下方处于真空罩内。打开气阀抽气，真空罩内部气压减小，橡皮膜上下气压差增大，橡皮膜受到向下的压力差增大，压力计可以测取其大小。当内部接近真空时，压力计直接测取大气压力。

图20 实验装置制作实现设计方案

（2）利用气泵抽取真空罩内气体，创造内部真空环境。

（3）压力计峰值保持功能直接记录大气压力大小。

（4）负压表显示内部气压大小，学生认可真空环境。

3. 改进实验测量数据与传统吸盘实验测量数据对比

利用压力计进行传统吸盘实验测得的大气压值为0.35×����⁵ ����，改进实验测得的大气压值则为为1.02×����⁵ ����。通过改进实验极大减小实验误差，提高粗测大气压准确程度，学生顺利承认大气压的数量级为��×����⁵ ����。

图21 改进实验与吸盘实验大气压数据对比

（四）气压差与液体压强平衡实验

通过学生熟悉的气压差与液体压强平衡现象理解托里拆利实验测量原理，突破精确测量大气压教学难点。

图22 气压差与液体平衡实验创新要点

设计各部分均可拆卸的U型空管，一端开口一端绷有橡皮膜，放入一定量液体后橡皮膜向上突起反映液体压强。抽气橡皮膜恢复形变说明气压差与液体压强平衡，将U型管放入液面与橡皮膜相平的水槽中，依次撕去橡皮膜、拆解实验装置，发现U型管左侧液面高度基本保持不变。

四、实验原理/实验设计思路

（一）易拉罐形变系列实验：

1. 实验原理：力使物体发生形变

2. 实验设计思路

从手的压力到瓶内气体的压力再到大气的压力使易拉罐形变，将新概念顺应到学生的已有知识体系中，学生分组实验和教师演示实验相结合，顺利认识看不见的气压、大气压，形成物理观念。

（二）“有气压不发生形变”实验和“有气压差发生形变”实验：

1. 实验原理：气压差使橡皮膜发生形变

2. 实验设计思路：通过证伪实验和证实实验纠正学生错误认知，发展学生科学思维能力。

（1）“有气压不发生形变”实验

吹气时橡皮膜两端气压相等，不存在气压差没有压力差，橡皮膜不发生形变。证伪“有气压一定使物体发生形变”的思维错误。

（2）“有气压差发生形变”实验

吹气时橡皮膜两端气压不等，有气压差产生压力差，橡皮膜发生形变。证实“有气压差使物体发生形变”的正确猜想。

（三）粗测大气压实验：

1. 实验原理： ��=��/��

2. 实验设计思路：通过粗测大气压改进实验装置直接测取大气压力，利用公式计算得出大气压的粗略值。

（四）大气压与液体压强平衡实验

1. 实验原理：Δp_气=p_液

2. 实验设计思路

以学生熟悉的气压差与液体压强平衡引入，在逐步拆解实验器材过程中理解气压差与液体压强平衡体现为压起一定高度的液体。在实验探究基础上结合科学推理得出大气压能够压起10m水柱。

图23 实验设计思路

图24 实验器材拆解过程中左侧液面高度基本不变

五、实验教学目标

（一）义务教育阶段初中物理学业标准中的科学内容标准及对应的核心素养目标

表1 实验教学物理核心素养目标

（二）依据课标、义务教育阶段初中物理学业标准的要求，结合学生的年龄特点和认知水平，制定了如下的三维目标

1. 知识与技能

（1）知道气压、大气压的存在，认识到存在气压差才有压力差使物体发生形变。

（2）知道大气压的数量级，知道标准大气压数值以及对应液柱高度。

（3）知道大气压在生产、生活中的应用，会用气压差解释现象背后的物理本质。

2. 过程与方法

（1）通过“易拉罐系列形变实验” ，在探索物理现象内在联系过程中，承认气压、大气压的存在。

（2）通过“有气压不发生形变证伪实验” 、“有气压差发生形变证实实验” ，理解存在的气压差产生压力差使物体发生形变。

（3）通过“气压差与液体压强平衡实验” ，认识到气压差与液体压强平衡能够压起一定高度液体，纠正学生的错误前概念。

3. 情感态度与价值观

（1）通过实验感知气压、大气压的存在，同时学生养成分组协作的精神。

（2）通过“粗测大气压改进实验”中所得数据的分析，学生养成实事求是的科学态度。

（3）通过本课实验的学习，解释生活中的大气压强实例与应用，学生形成学以致用的意识。

4. 教学重难点

（1）重点

① 知道气压、大气压的存在。

② 通过“粗测大气压改进实验”，大致测量出大气压强值。（精确到真实数量级范围）

（2）难点：气压差与液体压强平衡能够压起一定高度液体。

六、实验教学内容

（一）文字描述

1. “易拉罐系列形变实验”充分利用学生正确的概念和前概念，在探索物理现象内在联系过程中，承认气压、大气压的存在。

2. 在认识气压的过程中，学生会有“有气压一定使物体发生形变”的思维错误，通过“有气压不发生形变”实验和“有气压差发生形变”实验，及时纠正学生错误认知。在此基础上播放震撼的大气压实验，学生再次感知大气压的存在，并且引发对大气压大小的好奇。

3. 通过“粗测大气压改进实验”测得大气压的粗略值，知道大气压的数量级，并且对实验数据进行有效分析，学生养成注重实事求是的科学态度。

4. 通过“气压差和液体压强平衡”实验为学生思维搭设台阶，顺利理解托里拆利实验测量原理。

（二）教学流程图

图25 教学流程图

七、实验教学过程

八、实验效果评价

（一）学生学习评价

1. 教学指导评价

表2 教学指导评价量化表

2. 实验教学效果达成的评价

（1）教学过程中的评价

① 易拉罐系列形变实验中，通过学生对于教师问题“谁施加压力使易拉罐形变？”的反馈，了解学生对于概念的理解程度。

②“有气压不发生形变”、“有气压差发生形变”实验中，通过学生对于实验现象的分析与解释，了解学生是否扭转思维错误。

③ 粗测大气压改进实验中，通过学生是否快速理解老师的改进装置实验原理，了解学生对于压强知识的掌握情况。

④“气压差与液体压强平衡”实验中，通过学生能否正确解释喝饮料和活塞式抽水器原理，了解学生对于压强平衡关系的理解。

（2）以作业形式检测学生对知识、方法的掌握情况

①下列现象中不属于应用大气压的是 (    )

   A．塑料挂衣钩能贴在墙上挂衣服        B．纸片能托住倒过来的一满杯水而不洒

   C．用吸管吸起汽水瓶中的饮料          D．用注射器能把药液注进肌肉里

②在托里拆利实验中，下面哪种情况能使玻璃管内外水银面的高度差发生变化 (    )

   A．向水银槽里加少量水银              B．将管倾斜

C．将玻璃管变粗                      D．外界大气压发生变化

③在1标准大气压下，利用足够长的细管来吸水，最高能够把水吸到_____m高。

④自来水笔吸墨水时，只要把笔尖浸没在墨水中，再把笔上的弹簧片按几下，橡皮管里就会吸进墨水，为什么?

（二）教师课堂教学效果评价

1. 从学情出发，有的放矢

大气压强实验教学从学生的实际出发，切实关注学生思维进程，准确分析学情，了解学生的前概念与漏洞，制定详尽，有针对性的实验教学策略。

2. 注重核心素养的落实

通过一系列压力形变实验启发学生认识看不见的气压、大气压，形成物理观念。及时关注学生思维错误，通过证伪、证实实验纠正学生错误认知，发展学生科学思维能力。问题驱动学生参与设计并进行粗测大气压改进实验，知道大气压的数量级。实验探究结合科学推理得到大气压对应液柱高度，掌握精确测量大气压实验原理。最后应用所学知识解释现象，升华本节实验教学。

3. 注重知识的形成过程

本实验教学一改过去直接给出大气压的概念，死板地让学生记住大气压的数量级和对应水银柱高度。通过设置易拉罐系列形变实验、气压形变证伪与证实实验、符合学生认知的粗测大气压改进实验、气压差与液体压强平衡实验，学生充分体验知识的形成过程，体现物理学科的本质。

4. 实验教学系列反思

粗测大气压改进实验测得的大气压相较于北京当地真实气压值偏小，实验误差的主要来源是由于气泵抽气能力有限，真空罩内部不是完全真空环境。此外橡皮膜的回弹、橡皮膜的形变外扩以及装置本身的气密性也会对实验产生影响。

图26 粗测大气压改进装置内部不是完全真空

九、技术规范（重点实验）

（一）粗测大气压改进实验装置

尺寸为20cm ⅹ 20cm ⅹ 20cm、厚度1.5cm的真空罩，左侧装有进气阀门和放气阀门，右侧为置物窗口。上方中央开直径为3cm的圆孔放置橡皮膜。使用时注意增加橡胶垫圈并涂抹凡士林，保证真空罩内部气密性良好。

图27 粗测大气压改进装置上方开口设计

压力计固定在真空罩内部，上方托盘与橡皮膜接触无挤压。密封好真空罩后，打开气阀抽气，负压表显示内部气压，当内部接近真空压力计直接测取大气压力。

图28 压力计托盘与橡皮膜接触无挤压

（二）气压差和液体压强平衡实验

外径均为4cm，长度分别为22.5cm、12cm、7.5cm的透明有机玻璃管3根，内径为4cm的直角弯头2个，其中长度为7.5cm的透明有机玻璃管使用防水胶带绷上橡皮膜。将有机玻璃管和直角弯头拼接成一段开口一端的U型管，注意保证U型管气密性良好。

图29  U型管对应各部分尺寸

选择7号橡胶塞连接抽气装置对U型管进行抽气，抽气后内部气压基本不变。使用剪刀撕去橡皮膜，操作简单、现象明显。